【摘要】：随着我国国民经济的快速增长,对石油和天然气需求的逐年增多,油气进口量大幅度增加,油气资源已经成为影响到国家能源安全的战略性问题。目前大庆油田已经进入油田开发中后期,中浅层油气资源日趋枯竭,深层传统油气资源及页岩气、致密气和致密油等油气资源勘探开发已成为油田增储上产的重要接替资源之一;但是由于深部地层存在温度高、岩性复杂、黏土矿物含量高,同时在储层中存在大量微裂缝/裂缝和破碎带,导致在油田开发钻井过程中极易发生井壁剥落、坍塌和恶性漏失等事故。钻井是油气田开发的基础,而钻井液是保障安全钻井施工的重要环节,在深层钻井施工中,钻井液尤为重要。深井钻井液最突出的问题是抗温性能,目前深井钻井液采用的抗高温化学材料一直依赖进口,因此研究抗高温化学材料,进一步研发性能优异的钻井液体系有着十分重要的理论及现实意义。深层钻井常用的钻井液主要有油基钻井液和水基钻井液两种体系,油基钻井液中的核心材料是抗高温乳化剂,水基钻井液的核心材料是抗高温抑制剂。本论文主要研究制备了钻井液体系中两种核心材料,分别进行了分子结构设计,合成出两种新型抗高温材料。利用红外光谱、热重分析、核磁共振和液质联用测试等分析测试手段,对其分子结构及性能进行了表征。并进一步研究制备了新型抗高温的油基钻井液和水基钻井液体系,探讨了两种材料在钻井液体系中的作用机理;两种钻井液体系在现场实施了工程化应用。采用N,N-二甲基-1,3丙二胺、环氧氯丙烷等单体,合成了新型油基钻井液核心材料-乳化剂,研究了新型油基钻井液乳化剂的分子结构,以及合成工艺和条件对产物转化率的影响。研究表明合成的新型三元共聚乳化剂具有多个吸附基团可提高表面活性,特殊的分子结构可以自聚集或相互搭接形成空间网状结构,增强了界面膜的紧密程度和机械强度,引入的五元环结构单体提高了高温稳定性,由此形成的乳液液滴在高温下更加均匀和致密,有效解决了传统乳化剂高温稳定性和触变性的难题。将N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)单体引入到二乙烯基乙二醇分子结构中,三步法合成了含NVP结构的新型水基钻井液核心材料抗高温二元共聚抑制剂,研究了新型抑制剂合成工艺条件对产物转化率的影响。合成的新型抑制剂含有较多的胺基团,在主链上引入的保护基团N-乙烯基吡咯烷酮单体增加了空间位阻,提高了该材料的高温稳定性。在钠膨润土悬浮液中加入0.5%新型抑制剂,层间距由1.932nm降低到1.418nm,阻止了水分子进入粘土晶层间,起到抑制、封堵防塌作用。以新型三元共聚乳化剂为核心材料,通过正交实验优选了有机土、氧化沥青、降滤失剂等其它钻井液材料,研究制备了高触变性油基钻井液体系。通过在温度260℃热滚16h实验后,破乳电压依然保持在500V以上,析液量仅为0.5mL,表明该体系具有良好的抗高温、低粘高切的特性;并利用“蜂巢”结构理论解释了该体系低粘、高切、高触变特性的作用机理。该体系在大庆油田144口井现场应用过程中表现出了良好的流变性和滤失造壁性,破乳电压1500V,动塑比0.4,性能稳定,有效解决了深层水平井温度高、易形成岩屑床、井壁稳定性差等难题,满足了深层油气资源的钻探需求。以研究合成的新型抗高温二元共聚抑制剂为核心材料,优化了钻井液体系中封堵防塌剂、流型调节剂等材料,研究制备了抗温200℃、抑制能力强、封堵防塌效果好的高性能水基钻井液体系,新型抗高温二元共聚抑制剂及在水基钻井液体系中的抑制作用机理符合强抑制特性的“疏水场”理论。在大庆油田、新疆塔东和海外油田累计完成580口井,水平段平均长度1522m,最长水平段达2033m。大庆油田深部地层存在大量构造缝和溶蚀缝,裂缝范围是1~5条/m,裂缝长度范围是2~5m/m~2,模拟地层裂缝特征制备了封堵评价装置和硅铝酸盐微裂缝岩心模型,建立了模拟微裂缝封堵的评价方法,模拟缝宽范围在1~200μm之间,工作温度最高达200℃,压力在3.5~5.0MPa之间,将封堵评价方法应用到研发的新型油基钻井液和高性能水基钻井液中,具有较强的封堵能力,携砂效果好,施工的井都未发生井漏、卡钻和托压等复杂和事故,满足了深层钻井施工需求。
【图文】：
图 3-2 乳化剂分子结构图Fig.3-2 Molecular structure diagram of emulsifie2 合成条件对产物转化率的影响研究在该乳化剂的合成实验中，根据正交试验结果，得到最佳合成条件为
图 3-3 单体总浓度对转化率的影响Fig.3-3 The effect of monomer total concentration on conversion rate摩尔比的影响反应温度为 160℃ ，反应时间为 4h，，中间产物℃ 与中间产物量，研究摩尔比对单体转化率的影响，结果如图 3-4。图 3-4
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE254.4
【参考文献】
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2660998
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